(57)【要約】【課題】高容量で、サイクル特性および初回充放電効率に優れた電池、およびそれに用いられる負極活物質を提供する。【解決手段】負極２２は、リチウムと反応可能な負極活物質を含んでいる。この負極活物質は、構成元素としてスズとコバルトと炭素とリンとを少なくとも含み、炭素の含有量は９．９質量％以上２９．７質量％以下、リンの含有量は０．１質量％以上２．２質量％以下、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合は２４質量％以上７０質量％以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成元素として、スズ（Ｓｎ）と、コバルト（Ｃｏ）と、炭素（Ｃ）と、リン（Ｐ）とを少なくとも含み、
炭素の含有量は９．９質量％以上２９．７質量％以下であり、リンの含有量は０．１質量％以上２．２質量％以下であり、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合は２４質量％以上７０質量％以下であると共に、
更に、構成元素として、インジウム（Ｉｎ）、ニオブ（Ｎｂ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）およびビスマス（Ｂｉ）からなる群のうちの少なくとも１種を、１４．９質量％以下の範囲内で含む、
負極活物質。
【請求項２】
Ｘ線光電子分析法により２８４．５ｅＶよりも低い領域に前記炭素の１ｓピークが得られる、請求項１記載の負極活物質。
【請求項３】
リチウム（Ｌｉ）と反応可能であり、Ｘ線回折により得られる回折ピークの半値幅が１°以上である反応相を有する、請求項１記載の負極活物質。
【請求項４】
更に、構成元素として、ケイ素（Ｓｉ）を含む、請求項１記載の負極活物質。
【請求項５】
前記ケイ素の含有量は、０．５質量％以上７．９質量％以下である、請求項４記載の負極活物質。
【請求項６】
前記インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、ガリウムおよびビスマスからなる群のうちの少なくとも１種を、１．５質量％以上含む、請求項１記載の負極活物質。
【請求項７】
更に、ケイ素を０．５質量％以上７．９質量％以下の範囲内で含むと共に、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、ガリウムおよびビスマスからなる群のうちの少なくとも１種を、１．５質量％以上１４．９質量％以下の範囲内で含む、請求項１記載の負極活物質。
【請求項８】
正極および負極と共に電解質を備え、
前記負極は、構成元素としてスズと、コバルトと、炭素と、リンとを少なくとも含む負極活物質を含有し、
前記負極活物質における炭素の含有量は９．９質量％以上２９．７質量％以下であり、リンの含有量は０．１質量％以上２．２質量％以下であり、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合は２４質量％以上７０質量％以下であると共に、
前記負極活物質は、更に、構成元素として、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、ガリウムおよびビスマスからなる群のうちの少なくとも１種を、１４．９質量％以下の範囲内で含む、
二次電池。
【請求項９】
前記負極活物質は、Ｘ線光電子分析法により２８４．５ｅＶよりも低い領域に前記炭素の１ｓピークが得られる、請求項８記載の二次電池。
【請求項１０】
前記負極活物質は、リチウムと反応可能であり、Ｘ線回折により得られる回折ピークの半値幅が１°以上である反応相を有する、請求項８記載の二次電池。
【請求項１１】
前記負極活物質は、更に、構成元素としてケイ素を含む、請求項８記載の二次電池。
【請求項１２】
前記負極活物質におけるケイ素の含有量は、０．５質量％以上７．９質量％以下である、請求項１１記載の二次電池。
【請求項１３】
前記負極活物質は、前記インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、ガリウムおよびビスマスからなる群のうちの少なくとも１種を、１．５質量％以上含む、請求項８記載の二次電池。
【請求項１４】
前記負極活物質は、更に、ケイ素を０．５質量％以上７．９質量％以下の範囲内で含むと共に、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、ガリウムおよびビスマスからなる群のうちの少なくとも１種を、１．５質量％以上１４．９質量％以下の範囲内で含む、請求項８記載の二次電池。
【請求項１５】
前記電解質は、ハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体を含有する、請求項８記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構成元素としてスズとコバルトと炭素とリンとを含む負極活物質およびそれを用いた二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カメラ一体型ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）、携帯電話あるいはノートパソコンなどのポータブル電子機器が多く登場し、その小型軽量化が図られている。これらの電子機器のポータブル電源として用いられている電池、特に二次電池はキーデバイスとして重要であるため、そのエネルギー密度の向上を図る研究開発が活発に進められている。中でも、非水電解質二次電池（例えば、リチウムイオン二次電池）は、従来の水系電解液二次電池である鉛電池やニッケルカドミウム電池と比較して大きなエネルギー密度が得られるため、その改良に関する検討が各方面で行われている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池では、負極活物質として、比較的高容量を示すと共に良好なサイクル特性を有する難黒鉛化性炭素あるいは黒鉛などの炭素材料が広く用いられている。ただし、近年の高容量化の要求を考えると、炭素材料の更なる高容量化が課題となっている。
【０００４】
このような背景から、炭素化原料と作製条件とを選ぶことにより、炭素材料で高容量を達成する技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、かかる炭素材料を用いた場合には、負極放電電位が対リチウムで０．８Ｖ〜１．０Ｖであり、電池を構成したときの電池放電電圧が低くなることから、電池エネルギー密度の点では大きな向上が見込めない。さらには、充放電曲線形状にヒステリシスが大きく、各充放電サイクルでのエネルギー効率が低いという欠点もある。
【０００５】
一方で、炭素材料を上回る高容量負極として、ある種の金属がリチウムと電気化学的に合金化し、それが可逆的に生成・分解することを応用した合金材料に関する研究も進められている。例えば、Ｌｉ−Ａｌ合金あるいはＳｎ合金を用いた高容量負極が開発され、さらには、Ｓｉ合金からなる高容量負極が開発されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
しかしながら、Ｌｉ−Ａｌ合金、Ｓｎ合金あるいはＳｉ合金は、充放電に伴って膨張収縮し、充放電を繰り返すたびに負極が微粉化するので、サイクル特性が極めて悪いという大きな問題がある。
【０００７】
そこで、サイクル特性を改善する手法として、スズやケイ素を合金化することによって膨張を抑制することが検討されており、例えば、鉄とスズとを合金化することが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。また、Ｍｇ2 Ｓｉなども提案されている（例えば、非特許文献２参照）。さらに、Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ａ＋Ｖ）比が２０原子％〜８０原子％であるＳｎ・Ａ・Ｘ（Ａは遷移金属の少なくとも１種，Ｘは炭素等から成る群から選ばれた少なくとも１種）なども提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−３１５８２５号公報
【特許文献２】米国特許第４９５０５６６号明細書等
【特許文献３】特開２０００−３１１６８１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「ジャーナル  オブ  ザ  エレクトロケミカル  ソサエティ（Journal of The Electrochemical Society）」、１９９９年、第１４６号、ｐ４１４
【非特許文献２】「ジャーナル  オブ  ザ  エレクトロケミカル  ソサエティ（Journal of The Electrochemical Society）」、１９９９年、第１４６号、ｐ４４０１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記した手法を用いた場合においても、サイクル特性改善の効果は十分とは言えず、合金材料における高容量負極の特長を十分に活かしきれていないのが実状である。このため、サイクル特性をより改善するための手法が模索されている。この場合には、特に、電池の高性能化に関する要求が益々高まっていることを考えると、サイクル特性だけでなく、初回使用時から十分な性能を発揮させるために初回充放電効率を向上させることも重要である。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高容量で、サイクル特性および初回充放電効率に優れた二次電池およびそれに用いられる負極活物質を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の負極活物質は、構成元素としてスズとコバルトと炭素とリンとを少なくとも含み、炭素の含有量が９．９質量％以上２９．７質量％以下であり、リンの含有量が０．１質量％以上２．２質量％以下であり、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合が２４質量％以上７０質量％以下であると共に、更に、構成元素として、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、ガリウムおよびビスマスからなる群のうちの少なくとも１種を１４．９質量％以下の範囲内で含むものである。また、本発明の二次電池は、正極および負極と共に電解質を備え、負極が構成元素としてスズとコバルトと炭素とリンとを少なくとも含む負極活物質を含有し、負極活物質における炭素の含有量が９．９質量％以上２９．７質量％以下であり、リンの含有量が０．１質量％以上２．２質量％以下であり、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合が２４質量％以上７０質量％以下であると共に、負極活物質が更に構成元素としてインジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、ガリウムおよびビスマスからなる群のうちの少なくとも１種を１４．９質量％以下の範囲内で含むものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の負極活物質によれば、構成元素としてスズを含むようにしたので、高容量が得られる。また、構成元素としてコバルトを含み、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合を２４質量％以上７０質量％以下とするようにしたので、高容量を保ちつつ、サイクル特性が向上する。更に、構成元素として炭素およびリンを含み、炭素の含有量を９．９質量％以上２９．７質量％以下およびリンの含有量を０．１質量％以上２．２質量％以下とするようにしたので、サイクル特性がより向上すると共に初回充放電効率が向上する。加えて、構成元素としてインジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、ガリウムおよびビスマスからなる群のうちの少なくとも１種を１４．９質量％以下の範囲内で含むようにしたので、サイクル特性を更に向上させることができる。よって、この負極活物質を用いた本発明の二次電池によれば、高容量を得ることができると共に、優れたサイクル特性および初回充放電効率を得ることができる。
【００１４】
更に、負極活物質に、構成元素としてケイ素を含むようにすれば、更に高い容量を得ることができる。
【００１５】
更にまた、負極活物質に、構成元素として、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、ガリウムおよびビスマスからなる群のうちの少なくとも１種を含み、それらの含有量を１．５質量％以上とすれば、高い効果が得られる。
【００１６】
加えて、電解質にハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体を含むようにすれば、負極における溶媒の分解反応が抑制されるため、サイクル特性を更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る第１の電池の構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した巻回電極体の一部を拡大して表す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る第２の電池の構成を表す分解斜視図である。
【図４】図３に示した巻回電極体のＩＶ−ＩＶ線に沿った構成を表す断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る第３の電池の構成を表す断面図である。
【図６】実施例で作製した負極活物質についてＸ線光電子分光法により得られたピークの一例を表す図である。
【図７】実施例で作製したコイン型の電池の構成を示す断面図である。
【図８】第１の実施の形態に係る電池（液状電解質）に関する負極活物質における炭素含有量と容量維持率および初回充電容量との関係を表す特性図である。
【図９】比較例で作製した負極活物質についてＸ線光電子分光法により得られたピークの一例を表す図である。
【図１０】第１の実施の形態に係る電池（液状電解質）に関する負極活物質におけるスズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合と容量維持率および初回充電容量との関係を表す特性図である。
【図１１】第１の実施の形態に係る電池（液状電解質）に関する負極活物質におけるスズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合と容量維持率および初回充電容量との関係を表す他の特性図である。
【図１２】第１の実施の形態に係る電池（液状電解質）に関する負極活物質におけるスズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合と容量維持率および初回充電容量との関係を表すさらに他の特性図である。
【図１３】第１の実施の形態に係る電池（液状電解質）に関する負極活物質におけるリン含有量と容量維持率および初回充電容量との関係を表す特性図である。
【図１４】第１の実施の形態に係る電池（液状電解質）に関する負極活物質におけるリン含有量と初回充放電効率との関係を表す特性図である。
【図１５】第１の実施の形態に係る電池（液状電解質）に関する負極活物質におけるチタン含有量と容量維持率との関係を表す特性図である。
【図１６】第１の実施の形態に係る電池（液状電解質）に関する負極活物質におけるビスマス含有量と容量維持率との関係を表す特性図である。
【図１７】第１の実施の形態に係る電池（ゲル状電解質）に関する負極活物質における炭素含有量と容量維持率および初回充電容量との関係を表す他の特性図である。
【図１８】第１の実施の形態に係る電池（ゲル状電解質）に関する負極活物質におけるスズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合と容量維持率および初回充電容量との関係を表す特性図である。
【図１９】第１の実施の形態に係る電池（ゲル状電解質）に関する負極活物質におけるスズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合と容量維持率および初回充電容量との関係を表す他の特性図である。
【図２０】第１の実施の形態に係る電池（ゲル状電解質）に関する負極活物質におけるスズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合と容量維持率および初回充電容量との関係を表すさらに他の特性図である。
【図２１】第１の実施の形態に係る電池（ゲル状電解質）に関する負極活物質におけるリン含有量と容量維持率および初回充電容量との関係を表す特性図である。
【図２２】第１の実施の形態に係る電池（ゲル状電解質）に関する負極活物質におけるリン含有量と初回充放電効率との関係を表す特性図である。
【図２３】第１の実施の形態に係る電池（ゲル状電解質）に関する負極活物質におけるチタン含有量と容量維持率との関係を表す特性図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明する順序は、下記の通りである。
１．負極活物質
２．二次電池
２−１．第１の二次電池
２−２．第２の二次電池
２−３．第３の二次電池
【００１９】
＜１．負極活物質＞
本発明の一実施の形態に係る負極活物質は、リチウムなどと反応可能なものであり、構成元素として、スズとコバルトとを含んでいる。スズは単位質量あたりのリチウムの反応量が高いため、高い容量が得られるからである。また、スズ単体では十分なサイクル特性を得ることは難しいが、コバルトを含むことによってサイクル特性が向上するからである。
【００２０】
コバルトの含有量は、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合で、２４質量％以上７０質量％以下の範囲内であることが好ましく、２４質量％以上６０％質量以下の範囲内であればより好ましい。割合が低いとコバルトの含有量が低下して十分なサイクル特性が得られず、高いとスズの含有量が低下して炭素材料などの従来の負極材料を上回る容量が得られないからである。
【００２１】
この負極活物質は、また、構成元素として、スズおよびコバルトに加えて炭素を含んでいる。炭素を含むことによってサイクル特性がより向上するからである。炭素の含有量は、９．９質量％以上２９．７質量％以下の範囲内であることが好ましく、１４．９質量％以上２９．７質量％以下の範囲内、特に１６．８質量％以上２４．８質量％以下の範囲内であればより好ましい。この範囲内において高い効果が得られるからである。
【００２２】
この負極活物質は、更に、構成元素として、スズ、コバルトおよび炭素に加えてリンを含んでいる。リンを含むことによってコバルトの含有量が少なくても十分なサイクル特性が得られると共に初回充放電効率が高くなるからである。リンの含有量は、０．１質量％以上２．２質量％以下の範囲内であることが好ましく、特に０．５質量％以上２質量％以下の範囲内であればより好ましい。この範囲内において高い効果が得られ、リンの含有量が多すぎると十分な初回充放電効率が得られないからである。
【００２３】
特に、負極活物質は、更に、構成元素として、スズ、コバルト、炭素およびリンに加えてケイ素を含んだ方が好ましい場合もある。ケイ素は単位質量あたりのリチウムの反応量が高いため、より高い容量が得られるからである。ケイ素の含有量は、０．５質量％以上７．９質量％以下の範囲内であることが好ましい。含有量が少ないと容量を高くする効果が十分でない可能性があり、多いと充放電に伴い微粉化してサイクル特性が低下する可能性があるからである。
【００２４】
また、負極活物質は、更にまた、構成元素として、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、ガリウムおよびビスマスからなる群のうちの少なくとも１種を含んだ方が好ましい場合もある。サイクル特性がより向上するからである。これらの含有量は、１４．９質量％以下の範囲内であることが好ましく、１．５質量％以上１４．９質量％以下の範囲内であればより好ましく、特に２．８質量％以上１２．９質量％以下の範囲内であれば望ましい。含有量が少ないと十分な効果が得られない可能性があり、多いとスズの含有量が低下して十分な容量が得られない可能性があり、サイクル特性が低下する可能性もあるからである。
【００２５】
この負極活物質は、結晶性の低い、あるいは非晶質な相を有している。この相は、リチウムなどと反応可能な反応相であり、それによって優れたサイクル特性が得られるようになっている。この相のＸ線回折により得られる回折ピークの半値幅は、特定Ｘ線としてＣｕＫα線を用い、挿引速度を１°／ｍｉｎとした場合に、回折角２θで１°以上であることが好ましい。リチウムなどをより円滑に吸蔵および放出させることができると共に、電解質との反応性をより低減させることができるからである。
【００２６】
なお、Ｘ線回折により得られた回折ピークがリチウムなどと反応可能な反応相に対応するものであるか否かは、リチウムなどとの電気化学的反応の前後におけるＸ線回折チャートを比較することによって容易に判断することができる。例えば、リチウムなどとの電気化学的反応の前後において回折ピークの位置が変化すれば、リチウムなどと反応可能な反応相に対応するものである。この負極活物質では、例えば、結晶性の低い、あるいは非晶質な反応相の回折ピークが２θ＝２０°〜５０°の間に見られる。この反応相は、例えば、上記した各構成元素を含んでおり、主に炭素によって低結晶化あるいは非晶質化しているものと考えられる。
【００２７】
なお、負極活物質は、上記した結晶性の低い、あるいは非晶質な相に加えて、各構成元素の単体あるいは一部を含む相を有している場合もある。
【００２８】
更に、負極活物質は、構成元素である炭素の少なくとも一部が、他の構成元素である金属元素あるいは半金属元素と結合していることが好ましい。サイクル特性の低下はスズなどが凝集あるいは結晶化することによるものであると考えられるが、炭素が他の元素と結合することにより、そのような凝集あるいは結晶化が抑制されるからである。
【００２９】
元素の結合状態を調べる測定方法としては、例えば、Ｘ線光電子分光法（X-ray Photoelectron Spectroscopy；ＸＰＳ）が挙げられる。このＸＰＳは、軟Ｘ線（市販の装置ではＡｌ−Ｋα線あるいはＭｇ−Ｋα線を用いる）を試料に照射し、その表面から飛び出してくる光電子の運動エネルギーを測定することにより、試料表面から数ｎｍの領域における元素の組成および結合状態を調べる方法である。
【００３０】
元素の内殻軌道電子の束縛エネルギーは、第１近似的には、元素上の電荷密度と相関して変化する。例えば、炭素元素の電荷密度が近傍に存在する元素との相互作用によって減少した場合には、２ｐ電子などの外殻電子が減少しているので、炭素元素の１ｓ電子は殻から強い束縛力を受けることになる。すなわち、元素の電荷密度が減少すると、束縛エネルギーは高くなる。ＸＰＳでは、束縛エネルギーが高くなると、高いエネルギー領域にピークがシフトするようになっている。
【００３１】
ＸＰＳでは、炭素の１ｓ軌道（Ｃ１ｓ）のピークは、グラファイトであれば、金原子の４ｆ軌道（Ａｕ４ｆ）のピークが８４．０ｅＶに得られるようにエネルギー較正された装置において、２８４．５ｅＶに現れる。また、表面汚染炭素であれば、２８４．８ｅＶに現れる。これに対して、炭素元素の電荷密度が高くなる場合、例えば、炭素よりも陽性な元素と結合している場合には、Ｃ１ｓのピークは、２８４．５ｅＶよりも低い領域に現れる。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部が他の構成元素である金属元素あるいは半金属元素などと結合している場合には、負極活物質について得られるＣ１ｓの合成波のピークは２８４．５ｅＶよりも低い領域に現れる。
【００３２】
なお、負極活物質のＸＰＳ測定に際しては、表面が表面汚染炭素で覆われている場合、ＸＰＳ装置に付属のアルゴンイオン銃で表面を軽くスパッタすることが好ましい。また、測定対象の負極活物質が後述する電池の負極中に存在する場合には、電池を解体して負極を取り出したのち、炭酸ジメチルなどの揮発性溶媒で洗浄するとよい。負極の表面に存在する揮発性の低い溶媒と電解質塩とを除去するためである。これらのサンプリングは、不活性雰囲気下で行うことが望ましい。
【００３３】
また、ＸＰＳ測定では、例えば、スペクトルのエネルギー軸の補正にＣ１ｓのピークを用いる。通常、物質表面には表面汚染炭素が存在しているので、表面汚染炭素のＣ１ｓのピークを２８４．８ｅＶとし、それをエネルギー基準とする。なお、ＸＰＳ測定では、Ｃ１ｓのピークの波形は、表面汚染炭素のピークと負極活物質中の炭素のピークとを含んだ形として得られるので、例えば、市販のソフトウエアを用いて解析することにより、表面汚染炭素のピークと負極活物質中の炭素のピークとを分離する。波形の解析では、最低束縛エネルギー側に存在する主ピークの位置をエネルギー基準（２８４．８ｅＶ）とする。
【００３４】
この負極活物質は、例えば、各構成元素の原料を混合し、電気炉、高周波誘導炉あるいはアーク溶解炉などで溶解したのちに凝固させることによって製造される。この他、負極活物質は、例えば、ガスアトマイズあるいは水アトマイズなどの各種アトマイズ法、各種ロール法、またはメカニカルアロイング法あるいはメカニカルミリング法などのメカノケミカル反応を利用した方法によっても製造される。中でも、メカノケミカル反応を利用した方法によって製造することが好ましい。負極活物質が低結晶化あるいは非晶質な構造となるからである。この方法としては、例えば、遊星ボールミル装置を用いることができる。
【００３５】
原料には、各構成元素の単体を混合して用いてもよいが、炭素以外の構成元素の一部については合金を用いることが好ましい。このような合金に炭素を加えてメカニカルアロイング法を利用した方法によって合成することにより、低結晶化あるいは非晶質な構造を有するようにすることができると共に、反応時間の短縮も図ることができるからである。なお、原料の形態は粉体であってもよいし、塊状であってもよい。
【００３６】
原料として用いる炭素には、難黒鉛化性炭素、易黒鉛化性炭素、グラファイト、熱分解炭素類、コークス、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、活性炭あるいはカーボンブラックなどの炭素材料のいずれか１種あるいは２種以上を用いることができる。このうち、コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークスあるいは石油コークスなどがあり、有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂などの高分子化合物を適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。これらの炭素材料の形状は、繊維状、球状、粒状あるいは鱗片状のいずれでもよい。
【００３７】
＜２．二次電池＞
この負極活物質は、例えば、次のようにして二次電池に用いられる。
【００３８】
＜２−１．第１の二次電池＞
図１は、第１の二次電池の断面構成を表している。ここで説明する二次電池は、例えば、負極の容量が電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出に基づく容量成分により表されるリチウムイオン二次電池である。
【００３９】
この二次電池は、ほぼ中空円柱状の電池缶１１の内部に、帯状の正極２１と帯状の負極２２とがセパレータ２３を介して積層してから巻回された巻回電極体２０を有している。この電池缶１１を含む構造は、円筒型と呼ばれている。電池缶１１は、例えば、ニッケルめっきが施された鉄によって構成されており、一端部および他端部がそれぞれ閉鎖および開放されている。電池缶１１の内部には、液状の電解質（いわゆる電解液）が注入され、セパレータ２３に含浸されている。また、巻回電極体２０を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板１２，１３がそれぞれ配置されている。
【００４０】
電池缶１１の開放端部には、電池蓋１４と、その内側に設けられた安全弁機構１５および熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient；ＰＴＣ素子）１６とがガスケット１７を介してかしめられることによって取り付けられており、その電池缶１１の内部は密閉されている。電池蓋１４は、例えば、電池缶１１と同様の材料によって構成されている。安全弁機構１５は、熱感抵抗素子１６を介して電池蓋１４と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などによって電池の内圧が一定以上となった場合に、ディスク板１５Ａが反転して電池蓋１４と巻回電極体２０との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子１６は、温度が上昇すると抵抗値の増大によって電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット１７は、例えば、絶縁材料によって構成されており、その表面にはアスファルトが塗布されている。
【００４１】
巻回電極体２０は、例えば、センターピン２４を中心に巻回されている。巻回電極体２０の正極２１にはアルミニウム（Ａｌ）などからなる正極リード２５が接続されており、負極２２にはニッケル（Ｎｉ）などからなる負極リード２６が接続されている。正極リード２５は安全弁機構１５に溶接されることによって電池蓋１４と電気的に接続されており、負極リード２６は電池缶１１に溶接されることによって電気的に接続されている。
【００４２】
図２は、図１に示した巻回電極体２０の一部を拡大して表している。正極２１は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体２１Ａの片面あるいは両面に正極活物質層２１Ｂが設けられた構造を有している。正極集電体２１Ａは、例えば、アルミニウム箔などの金属箔によって構成されている。正極活物質層２１Ｂは、例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極活物質のいずれか１種または２種以上を含んでおり、必要に応じて炭素材料などの導電剤やポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んでいてもよい。
【００４３】
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極活物質としては、例えば、硫化チタン（ＴｉＳ2 ）、硫化モリブデン（ＭｏＳ2 ）、セレン化ニオブ（ＮｂＳｅ2 ）あるいは酸化バナジウム（Ｖ2 Ｏ5 ）などのリチウムを含有しない金属硫化物あるいは金属酸化物などが挙げられる。また、Ｌｉx ＭＯ2 （式中、Ｍは１種以上の遷移金属を表し、ｘは電池の充放電状態によって異なり、通常０．０５≦ｘ≦１．１である）を主体とするリチウム複合酸化物なども挙げられる。このリチウム複合酸化物を構成する遷移金属Ｍとしては、コバルト、ニッケルあるいはマンガン（Ｍｎ）が好ましい。このようなリチウム複合酸化物の具体例としては、ＬｉＣｏＯ2 、ＬｉＮｉＯ2 、Ｌｉx Ｎｉy Ｃｏ1-y Ｏ2 （式中、ｘ，ｙは電池の充放電状態によって異なり、通常０＜ｘ＜１＜ｙ＜１である）、スピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物等を挙げることができる。
【００４４】
負極２２は、例えば、正極２１と同様に、対向する一対の面を有する負極集電体２２Ａの片面あるいは両面に負極活物質層２２Ｂが設けられた構造を有している。負極集電体２２Ａは、例えば、銅箔などの金属箔によって構成されている。
【００４５】
負極活物質層２２Ｂは、例えば、本実施の形態に係る負極活物質を含み、必要に応じてポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んで構成されている。このように本実施の形態に係る負極活物質を含むことにより、この二次電池では、高容量が得られると共に、サイクル特性および初回充放電効率が向上するようになっている。負極活物質層２２Ｂは、また、本実施の形態に係る負極活物質に加えて他の負極活物質や、導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。他の負極活物質としては、例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な炭素材料が挙げられる。この炭素材料は、充放電サイクル特性を向上させることができると共に、導電剤としても機能するので好ましい。炭素材料としては、例えば、負極活物質を製造する際に用いるものと同様のものが挙げられる。
【００４６】
この炭素材料の割合は、本実施の形態の負極活物質に対して、１質量％以上９５質量％以下の範囲内であることが好ましい。炭素材料が少ないと負極２２の導電率が低下する可能性があり、多いと容量が低下する可能性があるからである。
【００４７】
セパレータ２３は、正極２１と負極２２とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつリチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ２３は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの合成樹脂製の多孔質膜や、セラミック製の多孔質膜により構成されており、それらの２種以上の多孔質膜が積層された構造であってもよい。
【００４８】
セパレータ２３に含浸された電解液は、溶媒と、それに溶解された電解質塩とを含んでいる。溶媒としては、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ジエチル、炭酸ジメチル、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、酢酸エステル、酪酸エステルあるいはプロピオン酸エステルなどが挙げられる。溶媒は、いずれか１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
【００４９】
溶媒は、また、ハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体を含んでいればより好ましい。負極２２における溶媒の分解反応が抑制されるため、サイクル特性が向上するからである。このような炭酸エステル誘導体について具体的に例を挙げれば、化１で表される４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、化２で表される４−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、化３で表される４，５−ジフルオロ−１, ３−ジオキソラン−２−オン、化４で表される４−ジフルオロ−５−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、化５で表される４−クロロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、化６で表される４，５−ジクロロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、化７で表される４−ブロモ−１，３−ジオキソラン−２−オン、化８で表される４−ヨード−１，３−ジオキソラン−２−オン、化９で表される４−フルオロメチル−１，３−ジオキソラン−２−オン、あるいは化１０で表される４−トリフルオロメチル−１，３−ジオキソラン−２−オンなどである。中でも、４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンが望ましい。より高い効果を得ることができるからである。
【００５０】
【化１】
2010050109.tif 000003
【００５１】
【化２】
2010050109.tif 000004
【００５２】
【化３】
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【００５３】
【化４】
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【００５４】
【化５】
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【００５５】
【化６】
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【００５６】
【化７】
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【００５７】
【化８】
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【００５８】
【化９】
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【００５９】
【化１０】
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【００６０】
溶媒は、炭酸エステル誘導体のみによって構成するようにしてもよいが、大気圧（１．０１３２５×１０5 Ｐａ）において沸点が１５０℃以下である低沸点溶媒と混合して用いることが好ましい。イオン伝導性が高くなるからである。この炭酸エステル誘導体の含有量は、溶媒全体に対して０．１質量％以上８０質量％以下の範囲内であることが好ましい。含有量が少ないと負極２２における溶媒の分解反応を抑制する効果が十分ではない可能性があり、多いと粘度が高くなってイオン伝導性が低下する可能性があるからである。
【００６１】
電解質塩としては例えばリチウム塩が挙げられ、１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。リチウム塩としては、ＬｉＣｌＯ4 、ＬｉＡｓＦ6 、ＬｉＰＦ6 、ＬｉＢＦ4 、ＬｉＢ（Ｃ6 Ｈ5 ）4 、ＣＨ3 ＳＯ3 Ｌｉ、ＣＦ3 ＳＯ3 Ｌｉ、ＬｉＣｌあるいはＬｉＢｒなどが挙げられる。なお、電解質塩としては、リチウム塩を用いることが好ましいが、リチウム塩でなくてもよい。充放電に寄与するリチウムイオンは、正極２１などから供給されれば足りるからである。
【００６２】
この二次電池は、例えば、次のようにして製造される。
【００６３】
まず、例えば、正極活物質と必要に応じて導電剤および結着剤とを混合して正極合剤を調製したのち、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどの混合溶剤に分散させて正極合剤スラリーを作製する。続いて、正極集電体２１Ａに正極合剤スラリーを塗布して乾燥させたのち、圧縮して正極活物質層２１Ｂを形成することにより、正極２１を作製する。こののち、正極２１に正極リード２５を溶接する。
【００６４】
また、例えば、本実施の形態に係る負極活物質と必要に応じて他の負極活物質と結着剤とを混合して負極合剤を調製し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどの混合溶剤に分散させて負極合剤スラリーを作製する。続いて、負極集電体２２Ａに負極合剤スラリーを塗布して乾燥させたのち、圧縮して負極活物質層２２Ｂを形成することにより、負極２２を作製する。こののち、負極２２に負極リード２６を溶接する。
【００６５】
続いて、正極２１と負極２２とをセパレータ２３を介して巻回し、正極リード２５の先端部を安全弁機構１５に溶接すると共に負極リード２６の先端部を電池缶１１に溶接し、巻回した正極２１および負極２２を一対の絶縁板１２，１３で挟みながら電池缶１１の内部に収納する。続いて、電解液を電池缶１１の内部に注入したのち、その電池缶１１の開口端部に電池蓋１４、安全弁機構１５および熱感抵抗素子１６をガスケット１７を介してかしめることにより固定する。これにより、図１および図２に示した二次電池が完成する。
【００６６】
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極２１からリチウムイオンが放出され、電解質を介して負極２２に吸蔵される。放電を行うと、例えば、負極２２からリチウムイオンが放出され、電解質を介して正極２１に吸蔵される。
【００６７】
このように本実施の形態に係る負極活物質によれば、構成元素としてスズを含むようにしたので、高容量が得られる。また、構成元素としてコバルトを含み、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合を２４質量％以上７０質量％以下とするようにしたので、高容量を保ちつつ、サイクル特性が向上する。更に、構成元素として炭素およびリンを含み、炭素の含有量を９．９質量％以上２９．７質量％以下およびリンの含有量を０．１質量％以上２．２質量％以下とするようにしたので、サイクル特性がより向上すると共に初回充放電効率が向上する。この負極活物質では、構成元素としてリンを含まない場合と比較して、スズの含有量が同等あるいは少なくても高容量が得られると共に初回充放電効率が高くなり、しかもコバルトの含有量が少なくても高いサイクル特性が得られる。これにより、本実施の形態に係る二次電池では、上記した負極活物質を用いるようにしたので、高容量を得ることができると共に、優れたサイクル特性および初回充放電効率を得ることができる。
【００６８】
更に、負極活物質に構成元素としてケイ素を含むようにすれば、更に高い容量を得ることができる。
【００６９】
更にまた、負極活物質に構成元素としてインジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、ガリウムおよびビスマスからなる群のうちの少なくとも１種を含み、それらの含有量を１４．９質量％以下とするようにすれば、サイクル特性を更に向上させることができる。特に、含有量を１．５質量％以上とすれば、高い効果が得られる。
【００７０】
加えて、電解質にハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体を含むようにすれば、負極２２における溶媒の分解反応が抑制されるため、サイクル特性を更に向上させることができる。
【００７１】
＜２−２．第２の二次電池＞
図３は、第２の二次電池の分解斜視構成を表している。この電池は、正極リード３１および負極リード３２が取り付けられた巻回電極体３０をフィルム状の外装部材４０の内部に収容したものであり、小型化、軽量化および薄型化が可能となっている。この電池は、例えば、第１の電池と同様にリチウムイオン二次電池であり、フィルム状の外装部材４０を含む電池構造は、ラミネートフィルム型と呼ばれている。
【００７２】
正極リード３１および負極リード３２は、例えば、それぞれ外装部材４０の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。正極リード３１および負極リード３２は、例えば、アルミニウム、銅、ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によって構成されており、それぞれ薄板状または網目状とされている。
【００７３】
外装部材４０は、例えば、ナイロンフィルム、アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムをこの順に貼り合わせた矩形状のアルミラミネートフィルムによって構成されている。この外装部材４０は、例えば、ポリエチレンフィルム側と巻回電極体３０とが対向するように配設されており、各外縁部が融着あるいは接着剤によって互いに密着されている。外装部材４０と正極リード３１および負極リード３２との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム４１が挿入されている。この密着フィルム４１は、正極リード３１および負極リード３２に対して密着性を有する材料、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂によって構成されている。
【００７４】
なお、外装部材４０は、上記したアルミラミネートフィルムに代えて、他の構造を有するラミネートフィルムあるいはポリプロピレンなどの高分子フィルム、または金属フィルムによって構成されていてもよい。
【００７５】
図４は、図３に示した巻回電極体３０のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面構成を表している。この巻回電極体３０は、正極３３と負極３４とがセパレータ３５および電解質層３６を介して積層してから巻回されたものであり、その最外周部は保護テープ３７によって保護されている。
【００７６】
正極３３は、正極集電体３３Ａの片面あるいは両面に正極活物質層３３Ｂが設けられた構造を有している。負極３４は、負極集電体３４Ａの片面あるいは両面に負極活物質層３４Ｂが設けられた構造を有しており、負極活物質層３４Ｂの側が正極活物質層３３Ｂと対向するように配置されている。正極集電体３３Ａ、正極活物質層３３Ｂ、負極集電体３４Ａ、負極活物質層３４Ｂおよびセパレータ３５の構成は、それぞれ上記した第１の電池における正極集電体２１Ａ、正極活物質層２１Ｂ、負極集電体２２Ａ、負極活物質層２２Ｂおよびセパレータ２３と同様である。
【００７７】
電解質層３６は、電解液と、それを保持する高分子化合物とを含んでおり、いわゆるゲル状となっている。ゲル状の電解質は、高いイオン伝導率が得られると共に電池の漏液が防止されるので好ましい。電解液（すなわち溶媒および電解質塩）の構成は、上記した第１の電池における電解液と同様である。高分子化合物としては、例えば、ポリフッ化ビニリデンあるいはフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ素系高分子化合物や、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物や、ポリアクリロニトリルなどが挙げられる。特に、酸化還元安定性の観点からは、フッ素系高分子化合物が望ましい。
【００７８】
なお、電解液を高分子化合物に保持させた電解質層３６に代えて、電解液をそのまま用いてもよい。この場合には、電解液がセパレータ３５に含浸する。
【００７９】
このゲル状の電解質層３６を備えた二次電池は、例えば、次のようにして製造される。
【００８０】
まず、溶媒と、電解質塩と、高分子化合物と、混合溶剤とを含む前駆溶液を調製したのち、正極３３および負極３４のそれぞれに前駆溶液を塗布して混合溶剤を揮発させることにより、電解質層３６を形成する。続いて、正極集電体３３Ａの端部に正極リード３１を溶接により取り付けると共に、負極集電体３４Ａの端部に負極リード３２を溶接により取り付ける。続いて、電解質層３６が形成された正極３３と負極３４とをセパレータ３５を介して積層して積層体とし、その積層体をその長手方向に巻回したのちに最外周部に保護テープ３７を接着させることにより、巻回電極体３０を形成する。最後に、例えば、外装部材４０の間に巻回電極体３０を挟み込み、外装部材４０の外縁部同士を熱融着などによって密着させて封入する。この際、正極リード３１および負極リード３２と外装部材４０との間に密着フィルム４１を挿入する。これにより、図３および図４に示した二次電池が完成する。
【００８１】
なお、ゲル状の電解質層３６を備えた二次電池は、次のようにして製造されてもよい。まず、上記したように正極３３および負極３４を作製し、それぞれ正極リード３１および負極リード３２を取り付けたのち、正極３３と負極３４とをセパレータ３５を介して積層して巻回し、その最外周部に保護テープ３７を接着させることにより、巻回電極体３０の前駆体である巻回体を形成する。続いて、巻回体を外装部材４０で挟み、一辺を除く外周縁部を熱融着して袋状とし、外装部材４０の内部に収納する。続いて、溶媒と、電解質塩と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物とを用意し、外装部材４０の内部に注入する。最後に、外装部材４０の開口部を真空雰囲気下で熱融着して密封したのち、熱を加えてモノマーを重合させて高分子化合物とすることにより、ゲル状の電解質層３６を形成する。これにより、図３および図４に示した二次電池が完成する。
【００８２】
この二次電池は、第１の二次電池と同様に作用し、同様の効果を得ることができる。
【００８３】
＜２−３．第３の二次電池＞
図５は、第３の二次電池の断面構成を表しており、この電池は、例えば、第１の二次電池と同様にリチウムイオン二次電池である。この二次電池は、正極リード５１が取り付けられた正極５２と、負極リード５３が取り付けられた負極５４とを、電解質層５５を介して対向配置させた平板状の電極体５０をフィルム状の外装部材５６に収容したものである。外装部材５６の構成は、上記した第２の電池における外装部材４０と同様である。
【００８４】
正極５２は、正極集電体５２Ａに正極活物質層５２Ｂが設けられた構造を有している。負極５４は、負極集電体５４Ａに負極活物質層５４Ｂが設けられた構造を有しており、負極活物質層５４Ｂ側が正極活物質層５２Ｂと対向するように配置されている。正極集電体５２Ａ、正極活物質層５２Ｂ、負極集電体５４Ａ、負極活物質層５４Ｂの構成は、それぞれ上記した第１の電池における正極集電体２１Ａ、正極活物質層２１Ｂ、負極集電体２２Ａおよび負極活物質層２２Ｂと同様である。
【００８５】
電解質層５５は、例えば、固体電解質によって構成されている。固体電解質としては、例えば、リチウムイオン導電性を有する材料であれば、無機固体電解質あるいは高分子固体電解質のいずれも用いることができる。無機固体電解質としては、窒化リチウムあるいはヨウ化リチウムなどを含むものなどが挙げられる。高分子固体電解質は、主に、電解質塩と電解質塩を溶解する高分子化合物とからなるものである。高分子固体電解質の高分子化合物としては、例えば、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物や、ポリメタクリレートなどのエステル系高分子化合物や、アクリレート系高分子化合物などを単独あるいは混合して、または共重合させて用いることができる。
【００８６】
高分子固体電解質は、例えば、高分子化合物と、電解質塩と、混合溶剤とを混合したのち、その混合溶剤を揮発させることにより形成される。また、電解質塩と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを混合溶剤に溶解させ、その混合溶剤を揮発させたのち、熱を加えてモノマーを重合させて高分子化合物とすることにより形成されてもよい。
【００８７】
無機固体電解質は、例えば、正極５２あるいは負極５４の表面にスパッタリング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法あるいはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法などの気相法や、ゾルゲル法などの液相法によって形成される。
【００８８】
この二次電池は、第１あるいは第２の二次電池と同様に作用し、同様の効果を得ることができる。
【実施例】
【００８９】
更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。
【００９０】
以下では、負極活物質およびそれを用いた二次電池に関する実施例について、液状の電解質（電解液）を用いた場合およびゲル状の電解質を用いた場合の順に説明する。
【００９１】
（１）液状の電解質（電解液）を用いた場合
（実験例１−１〜１−７）
まず、負極活物質を作製した。すなわち、原料としてコバルト粉末とスズ粉末と炭素粉末とリン粉末とを用意し、コバルト粉末およびスズ粉末を合金化してコバルト・スズ合金粉末としたのち、その合金粉末に炭素粉末およびリン粉末を加えて乾式混合した。この際、原料の割合（原料比：質量％）を表１に示したように変化させた。具体的には、リンの原料比を１．５質量％、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合（以下、Co/(Sn+Co)比という）を３７質量％でそれぞれ一定とし、炭素の原料比を１０質量％以上３０質量％以下の範囲内で変化させた。続いて、伊藤製作所製の遊星ボールミルの反応容器中に、上記した混合物２０ｇを直径９ｍｍの鋼玉約４００ｇと共にセットした。続いて、反応容器中をアルゴン（Ａｒ）雰囲気に置換したのち、毎分２５０回転の回転速度による１０分間の運転と１０分間の休止とを運転時間の合計が３０時間になるまで繰り返した。最後に、反応容器を室温まで冷却したのち、合成された負極活物質粉末を取り出し、２８０メッシュのふるいを通して粗粉を取り除いた。
【００９２】
【表１】
2010050109.tif 000013
【００９３】
得られた負極活物質について組成の分析を行った。この際、炭素の含有量については炭素・硫黄分析装置で測定し、コバルト、スズおよびリンの含有量についてはＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）発光分析で測定した。それらの分析値（質量％）を表１に示す。なお、表１に示した原料比および分析値はいずれも小数点以下２桁の数値を四捨五入した値であり、以下の一連の実験例および比較例についても同様に示している。また、負極活物質についてＸ線回折を行ったところ、２θ＝２０°〜５０°の間に広い半値幅を有する回折ピークが観察された。この回折ピークの半値幅（°）も表１に示す。
【００９４】
更に、ＸＰＳを行ったところ、図６に示したように、ピークＰ１が得られた。このピークＰ１を解析したところ、表面汚染炭素のピークＰ２と、それよりも低エネルギー側に負極活物質中におけるＣ１ｓのピークＰ３とが得られた。実験例１−１〜１−７のいずれについても、ピークＰ３は２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質中の炭素が他の元素と結合していることが確認された。
【００９５】
次に、上記した負極活物質粉末を用いて、図７に示したコイン型の二次電池を作製した。この二次電池は、負極活物質を用いた試験極６１を正極缶６２に収容すると共に対極６３を負極缶６４に貼り付け、それらを電解液が含浸されたセパレータ６５を介して積層したのちにガスケット６６を介してかしめたものである。試験極６１を作成する際には、負極活物質粉末７０質量部と、導電剤および他の負極活物質である黒鉛２０質量部と、導電剤であるアセチレンブラック１質量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン４質量部とを混合し、適当な溶剤に分散させてスラリーとしたのち、そのスラリーを銅箔集電体に塗布し、乾燥後に直径１５．２ｍｍのペレットに打ち抜いた。対極６３としては、直径１５．５ｍｍに打ち抜いた金属リチウム板を用いた。電解液としては、炭酸エチレン（ＥＣ）と炭酸プロピレン（ＰＣ）と炭酸ジメチル（ＤＭＣ）とを混合した混合溶媒に電解質塩としてＬｉＰＦ6 を溶解させたものを用いた。この際、混合溶媒の組成を質量比でＥＣ：ＰＣ：ＤＭＣ＝３０：１０：６０とし、電解質塩の濃度を１ｍｏｌ／ｄｍ3 とした。
【００９６】
このコイン型の二次電池について、初回充電容量（ｍＡｈ／ｇ）を調べた。この初回充電容量としては、１ｍＡの定電流で電池電圧が０．２ｍＶに達するまで定電流充電したのち、０．２ｍＶの定電圧で電流が１０μＡに達するまで定電圧充電し、試験極６１の質量から銅箔集電体および結着剤の質量を除いた単位質量あたりの充電容量を求めた。なお、ここでいう充電とは、負極活物質へのリチウム挿入反応を意味する。その結果を表１および図８に示す。
【００９７】
また、上記した負極活物質粉末を用いて、図１および図２に示した円筒型の二次電池を作製した。すなわち、ニッケル酸化物からなる正極活物質と、導電剤であるケッチェンブラックと、結着剤であるポリフッ化ビニリデンとをニッケル酸化物：ケッチェンブラック：ポリフッ化ビニリデン＝９４：３：３の質量比で混合し、混合溶剤であるＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとした。続いて、帯状のアルミニウム箔からなる正極集電体２１Ａの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させたのち、ロールプレス機で圧縮成型して正極活物質層２１Ｂを形成することにより、正極２１を作製した。こののち、正極集電体２１Ａの一端にアルミニウム製の正極リード２５を取り付けた。
【００９８】
また、帯状の銅箔からなる負極集電体２２Ａの両面に上記した負極活物質を含む負極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させたのち、ロールプレス機で圧縮成型して負極活物質層２２Ｂを形成することにより、負極２２を作製した。こののち、負極集電体２２Ａの一端にニッケル製の負極リード２６を取り付けた。
【００９９】
続いて、セパレータ２３を用意し、負極２２、セパレータ２３、正極２１およびセパレータ２３をこの順に積層したのち、その積層体を渦巻状に多数回巻回することにより、巻回電極体２０を作製した。続いて、巻回電極体２０を一対の絶縁板１２，１３で挟み、負極リード２６を電池缶１１に溶接すると共に正極リード２５を安全弁機構１５に溶接したのち、ニッケルめっきが施された鉄製の電池缶１１の内部に巻回電極体２０を収納した。最後に、電池缶１１の内部に上記した電解液を減圧方式によって注入することにより、円筒型の二次電池が完成した。
【０１００】
この円筒型の二次電池について、サイクル特性を調べた。この場合には、まず、０．５Ａの定電流で電池電圧が４．２Ｖに達するまで定電流充電したのち、４．２Ｖの定電圧で電流が１０ｍＡに達するまで定電圧充電し、引き続き０．２５Ａの定電流で電池電圧が２．６Ｖに達するまで定電流放電することにより、１サイクル目の充放電を行った。２サイクル目以降については、１．４Ａの定電流で電池電圧が４．２Ｖに達するまで定電流充電したのち、４．２Ｖの定電圧で電流が１０ｍＡに達するまで定電圧充電し、引き続き１．０Ａの定電流で電池電圧が２．６Ｖに達するまで定電流放電した。こののち、サイクル特性を調べるために、２サイクル目の放電容量（２Ｃｙ．放電容量：ｍＡｈ／ｃｍ3 ）に対する３００サイクル目の放電容量（３００Ｃｙ．放電容量：ｍＡｈ／ｃｍ3 ）の比、すなわち容量維持率（％）＝（３００サイクル目の放電容量／２サイクル目の放電容量）×１００を求めた。それらの結果を表１および図８に示す。
【０１０１】
なお、実験例１−１〜１−７に対する比較例１−１として、原料として炭素粉末およびリン粉末を用いなかったことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。また、比較例１−２として、炭素粉末だけを用いなかったことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。さらに、比較例１−３〜１−８として、炭素の原料比を表１に示したように変化させたことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。
【０１０２】
比較例１−１〜１−８の負極活物質についても、実験例１−１〜１−７と同様にして組成の分析および２θ＝２０°〜５０°の間に見られた広い半値幅を有する回折ピークの半値幅の測定を行った。それらの結果を表１に示す。また、ＸＰＳを行ったところ、比較例１−４〜１−８では、図６に示したピークＰ１が得られた。このピークＰ１を解析したところ、実験例１−１〜１−７と同様に、表面汚染炭素のピークＰ２と負極活物質中におけるＣ１ｓのピークＰ３とが得られ、そのピークＰ３はいずれについても２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部が他の元素と結合していることが確認された。一方、比較例１−１，１−２では、図９に示したように、ピークＰ４が得られた。このピークＰ４を解析したところ、表面汚染炭素のピークＰ２のみが得られた。また、比較例１−３では、原料として用いた炭素の量が少なかったため、ピークＰ２のみが得られ、ピークＰ３はほとんど検出されなかった。
【０１０３】
また、比較例１−１〜１−８の二次電池についても、実験例１−１〜１−７と同様にして初回充電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表１および図８に示す。
【０１０４】
表１および図８から分かるように、負極活物質における炭素の含有量が９．９質量％以上２９．７質量以下の範囲内である実験例１−１〜１−７では、その含有量が範囲外である比較例１−１〜１−８よりも容量維持率が飛躍的に向上した。この場合には、初回充電容量および放電容量も向上した。
【０１０５】
更に、炭素の含有量が１４．９質量％以上２９．７質量％以下の範囲内、更には１６．８質量％以上２４．８質量％以下の範囲内において、より高い値が得られた。
【０１０６】
すなわち、炭素の含有量を９．９質量％以上２９．７質量％以下とすれば容量およびサイクル特性を向上させることができると共に、１４．９質量％以上２９．７質量％以下の範囲内、更には１６．８質量％以上２４．８質量％以下の範囲内とすればより好ましいことが分かった。
【０１０７】
（実験例２−１〜２−１１）
コバルト、スズ、炭素およびリンの原料比を表２に示したように変化させたことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。具体的には、炭素の原料比を１０質量％、リンの原料比を１．５質量％でそれぞれ一定とし、Co/(Sn+Co)比を２４質量％以上７０質量％以下の範囲内で変化させた。
【０１０８】
【表２】
2010050109.tif 000014
【０１０９】
なお、実験例２−１〜２−１１に対する比較例２−１〜２−３として、Co/(Sn+Co)比を表２に示したように変化させたことを除き、他は実験例２−１〜２−１１と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。具体的には、比較例２−１〜２−３におけるCo/(Sn+Co)比をそれぞれ７５質量％、２０質量％および１６質量％とした。
【０１１０】
実験例２−１〜２−１１および比較例２−１〜２−３の負極活物質についても、実験例１−１〜１−７と同様にして組成の分析および半値幅の測定を行った。それらの結果を表２に示す。また、ＸＰＳを行い、得られたピークを解析したところ、実験例１−１〜１−７と同様に、表面汚染炭素のピークＰ２と負極活物質中におけるＣ１ｓのピークＰ３とが得られ、そのピークＰ３はいずれについても２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部が他の元素と結合していることが確認された。更に、二次電池についても、実験例１−１〜１−７と同様にして初回充電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表２および図１０に示す。
【０１１１】
表２および図１０から分かるように、Co/(Sn+Co)比が２４質量％以上７０質量％以下の範囲内である実験例２−１〜２−１１では、７０質量％超である比較例２−１よりも初回充電容量が飛躍的に向上し、２４質量％未満である比較例２−２，２−３よりも容量維持率が飛躍的に向上した。特に、Co/(Sn+Co)比が６０質量％以下であれば、高い初回充電容量が得られた。
【０１１２】
すなわち、Co/(Sn+Co)比を２４質量％以上７０質量％以下とすれば容量およびサイクル特性を向上させることができると共に、Co/(Sn+Co)比を６０質量％以下とすればより好ましいことが分かった。
【０１１３】
（実験例３−１〜３−１１）
コバルト、スズ、炭素およびリンの原料比を表３に示したように変化させたことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。具体的には、炭素の原料比を２０質量％、リンの原料比を１．５質量％でそれぞれ一定とし、Co/(Sn+Co) 比を２４質量％以上７０質量％以下の範囲内で変化させた。
【０１１４】
【表３】
2010050109.tif 000015
【０１１５】
なお、実験例３−１〜３−１１に対する比較例３−１〜３−３として、Co/(Sn+Co)比を表３に示したように変化させたことを除き、他は実験例３−１〜３−１１と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。具体的には、比較例３−１〜３−３におけるCo/(Sn+Co)比をそれぞれ７５質量％、２０質量％および１６質量％とした。
【０１１６】
実験例３−１〜３−１１および比較例３−１〜３−３の負極活物質についても、実験例１−１〜１−７と同様にして組成の分析および半値幅の測定を行った。それらの結果を表３に示す。また、ＸＰＳを行い、得られたピークを解析したところ、実験例１−１〜１−７と同様に、表面汚染炭素のピークＰ２と負極活物質中におけるＣ１ｓのピークＰ３とが得られ、そのピークＰ３はいずれについても２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部が他の元素と結合していることが確認された。更に、二次電池についても、実験例１−１〜１−７と同様にして初回充電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表３および図１１に示す。
【０１１７】
表３および図１１から分かるように、実験例２−１〜２−１１と同様の結果が得られた。すなわち、Co/(Sn+Co)比を２４質量％以上７０質量％以下の範囲内とすれば、炭素の含有量を１９．８質量％とした場合においても容量およびサイクル特性を向上させることができることが分かった。
【０１１８】
（実験例４−１〜４−１１）
コバルト、スズ、炭素およびリンの原料比を表４に示したように変化させたことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にして二次電池を作製した。具体的には、炭素の原料比を３０質量％、リンの原料比を１．５質量％でそれぞれ一定とし、Co/(Sn+Co)比を２４質量％以上７０質量％以下の範囲内で変化させた。
【０１１９】
【表４】
2010050109.tif 000016
【０１２０】
なお、実験例４−１〜４−１１に対する比較例４−１〜４−３として、Co/(Sn+Co)比を表４に示したように変化させたことを除き、他は実験例４−１〜４−１１と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。具体的には、比較例４−１〜４−３におけるCo/(Sn+Co)比をそれぞれ７５質量％、２０質量％および１６質量％とした。
【０１２１】
実験例４−１〜４−１１および比較例４−１〜４−３の負極活物質についても、実験例１−１〜１−７と同様にして組成の分析および半値幅の測定を行った。それらの結果を表４に示す。また、ＸＰＳを行い、得られたピークを解析したところ、実験例１−１〜１−７と同様に、表面汚染炭素のピークＰ２と負極活物質中におけるＣ１ｓのピークＰ３とが得られ、そのピークＰ３はいずれについても２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部が他の元素と結合していることが確認された。更に、二次電池についても、実験例１−１〜１−７と同様にして初回充電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表４および図１２に示す。
【０１２２】
表４および図１２から分かるように、実験例２−１〜２−１１と同様の結果が得られた。すなわち、Co/(Sn+Co)比を２４質量％以上７０質量％以下の範囲内とすれば、炭素の含有量を２９．７質量％とした場合においても容量およびサイクル特性を向上させることができることが分かった。
【０１２３】
（実験例５−１〜５−５）
コバルト、スズ、炭素およびリンの原料比を表５に示したように変化させたことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。具体的には、炭素の原料比を２０質量％、Co/(Sn+Co)比を３７質量％でそれぞれ一定とし、リンの原料比を０．１質量％以上２．２質量％以下の範囲内で変化させた。
【０１２４】
【表５】
2010050109.tif 000017
【０１２５】
なお、実験例５−１〜５−５に対する比較例５−１として、リンを含有させなかったことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。また、比較例５−２，５−３として、リンの原料比を表５に示したように変化させたことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。具体的には、比較例５−２，５−３におけるリンの原料比をそれぞれ３質量％および５質量％とした。
【０１２６】
実験例５−１〜５−５および比較例５−１〜５−３の負極活物質についても、実験例１−１〜１−７と同様にして組成の分析および半値幅の測定を行った。それらの結果を表５に示す。また、ＸＰＳを行い、得られたピークを解析したところ、実験例１−１〜１−７と同様に、表面汚染炭素のピークＰ２と負極活物質中におけるＣ１ｓのピークＰ３とが得られ、そのピークＰ３はいずれについても２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部が他の元素と結合していることが確認された。更に、二次電池についても、実験例１−１〜１−７と同様にして初回充電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表５および図１３に示す。
【０１２７】
特に、実験例５−１〜５−５および比較例５−１〜５−３の二次電池については、１サイクル目の充電容量に対する１サイクル目の放電容量の比、すなわち初回充放電効率（％）＝（１サイクル目の放電容量／１サイクル目の充電容量）×１００も調べた。この場合の充放電条件は、サイクル特性を調べる場合と同様とした。それらの結果を表５および図１４に示す。
【０１２８】
表５および図１３から分かるように、リンの含有量が０．１質量％以上２．２質量％以下の範囲内である実験例５−１〜５−５では、その含有量が範囲外である比較例５−１〜５−３とほぼ同等の容量維持率が得られた。この場合には、初回充電容量および放電容量もほぼ同等であった。
【０１２９】
また、表５および図１４から分かるように、リンの含有量が０．１質量％以上２．２質量％以下の範囲内である実験例５−１〜５−５では、その含有量が範囲外である比較例５−１〜５−３よりも初回充放電効率が向上した。
【０１３０】
更に、リンの含有量が０．５質量％以上２質量％以下の範囲内において、より高い効果が得られた。
【０１３１】
すなわち、リンの含有量を０．１質量％以上２．２質量％以下の範囲内とすれば容量およびサイクル特性と共に初回充放電効率も向上させることができると共に、０．５質量％以上２質量％以下の範囲内とすればより好ましいことが分かった。
【０１３２】
（実験例６−１〜６−６，７−１〜７−６）
負極活物質を合成する際の運転時間および回転数を変え、２θ＝２０°〜５０°の間に見られる広い半値幅を有する回折ピークの半値幅を変化させたことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。この際、実験例６−１〜６−６，７−１〜７−６の間において、リンの原料比を１．５質量％、Co/(Sn+Co)比を３７質量％で一定とし、コバルト、スズおよび炭素の原料比を表６に示したように変化させた。
【０１３３】
【表６】
2010050109.tif 000018
【０１３４】
実験例６−１〜６−６，７−１〜７−６の負極活物質についても、実験例１−１〜１−７と同様にして組成の分析および半値幅の測定を行った。それらの結果を表６に示す。また、ＸＰＳを行い、得られたピークを解析したところ、実験例１−１〜１−７と同様に表面汚染炭素のピークＰ２と負極活物質中におけるＣ１ｓのピークＰ３とが得られ、そのピークＰ３はいずれについても２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部が他の元素と結合していることが確認された。更に、二次電池についても、実験例１−１〜１−７と同様にして初回充電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表６に示す。
【０１３５】
表６から分かるように、実験例６−１〜６−６，７−１〜７−６のいずれにおいても、半値幅が大きくなるにしたがって容量維持率が向上した。すなわち、回折ピークの半値幅がより大きい反応相を有するようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。
【０１３６】
（実験例８−１〜８−１１）
原料として更にケイ素粉末を用い、コバルト、スズ、炭素、リンおよびケイ素の原料比を表７に示したように変化させたことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。具体的には、炭素の原料比を２０質量％、リンの原料比を１．５質量％、Co/(Sn+Co)比を３７質量％でそれぞれ一定とし、ケイ素の原料比を０．３質量％以上１０質量％以下の範囲内で変化させた。実験例８−１〜８−１１の二次電池についても、実験例１−１〜１−７と同様にして組成の分析を行った。この際、ケイ素の含有量についてはＩＣＰ発光分析で測定した。それらの結果を表７に示す。また、ＸＰＳを行い、得られたピークを解析したところ、実験例１−１〜１−７と同様に、表面汚染炭素のピークＰ２と負極活物質中におけるＣ１ｓのピークＰ３とが得られ、そのピークＰ３はいずれについても２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部が他の元素と結合していることが確認された。更に、二次電池についても、実験例１−１〜１−７と同様にして初回充電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表８に示す。
【０１３７】
【表７】
2010050109.tif 000019
【０１３８】
【表８】
2010050109.tif 000020
【０１３９】
表７および表８から分かるように、ケイ素を含む実験例８−１〜８−１１では、それを含まない実験例１−５よりも初回充電容量が向上した。但し、ケイ素の含有量が多くなるにしたがって容量維持率が低下する傾向が見られた。
【０１４０】
すなわち、負極活物質にケイ素を含有するようにすれば、容量を向上させることができることが分かった。この場合には、ケイ素の含有量が０．５質量％以上７．９質量％以下の範囲内であれば、十分な初回充電容量および容量維持率が得られることが分かった。
【０１４１】
（実験例９−１〜９−１２）
実験例９−１では、コバルト、スズ、炭素およびリンの原料比を表９に示したようにしたことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。また、実験例９−２〜９−１２では、原料としてコバルト粉末とスズ粉末と炭素粉末とリン粉末とチタン粉末とを用意し、それらの原料比を表９に示したように変化させたことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。具体的には、炭素の原料比を２０質量％、リンの原料比を１．５質量％、Co/(Sn+Co)比を３７質量％でそれぞれ一定とし、チタンの原料比を０質量％以上１６質量％以下の範囲内で変化させた。負極活物質を作製する場合には、コバルト粉末とスズ粉末とリン粉末とチタン粉末とを合金化してコバルト・スズ・リン・チタン合金粉末を作製したのち、その合金粉末に炭素粉末を混合した。実験例９−１〜９−１２の負極活物質についても、実験例１−１〜１−７と同様にして組成の分析を行った。この際、チタンの含有量についてはＩＣＰ発光分析で測定した。それらの結果を表９に示す。また、ＸＰＳを行い、得られたピークを解析したところ、実験例１−１〜１−７と同様に、表面汚染炭素のピークＰ２と負極活物質中におけるＣ１ｓのピークＰ３とが得られ、そのピークＰ３はいずれについても２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部が他の元素と結合していることが確認された。更に、二次電池についても、実験例１−１〜１−７と同様にして初回充電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表９および図１５に示す。
【０１４２】
【表９】
2010050109.tif 000021
【０１４３】
表９および図１５から分かるように、チタンを１４．９質量％以下の範囲内で含む実験例９−２〜９−１１では、それを含まない実験例９−１および１４．９質量％超である実験例９−１２よりも容量維持率が向上した。この場合には、チタンの含有量が１．５質量％以上、特に２．８質量％以上１２．９質量％以下の範囲内において、容量維持率が著しく高くなった。
【０１４４】
すなわち、負極活物質にチタンを１４．９質量％以下の範囲内で含むようにすればサイクル特性をより向上させることができると共に、１．５質量％以上とすればより好ましく、特に２．８質量％以上１２．９質量％以下の範囲内とすれば更に好ましいことが分かった。
【０１４５】
（実験例１０−１〜１０−１１）
原料としてコバルト粉末とスズ粉末と炭素粉末とリン粉末とビスマス粉末とを用意し、それらの原料比を表１０に示したように変化させたことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。具体的には、炭素の原料比を２０質量％、リンの原料比を１．５質量％、Co/(Sn+Co)比を３７質量％でそれぞれ一定とし、ビスマスの原料比を０．８質量％以上１６質量％以下の範囲内で変化させた。負極活物質を作製する場合には、コバルト粉末とスズ粉末とリン粉末とビスマス粉末とを合金化してコバルト・スズ・リン・ビスマス合金粉末を作製したのち、その合金粉末に炭素粉末を混合した。実験例１０−１〜１０−１１の負極活物質についても、実験例１−１〜１−７と同様にして組成の分析を行った。この際、ビスマスの含有量についてはＩＣＰ発光分析で測定した。それらの結果を表１０に示す。また、ＸＰＳを行い、得られたピークを解析したところ、実験例１−１〜１−７と同様に、表面汚染炭素のピークＰ２と負極活物質中におけるＣ１ｓのピークＰ３とが得られ、そのピークＰ３はいずれについても２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部が他の元素と結合していることが確認された。更に、二次電池についても、実験例１−１〜１−７と同様にして初回充電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表１０および図１６に示す。
【０１４６】
【表１０】
2010050109.tif 000022
【０１４７】
表１０および図１６から分かるように、ビスマスを含む実験例１０−１〜１０−１１についても、チタンを含む実験例９−２〜９−１２と同様の結果が得られた。すなわち、負極活物質にビスマスを１４．９質量％以下の範囲内で含むようにした場合においてもサイクル特性をより向上させることができると共に、１．５質量％以上とすればより好ましいことが分かった。
【０１４８】
（実験例１１−１〜１１−１０）
原料としてコバルト粉末とスズ粉末と炭素粉末とリン粉末と共にモリブデン粉末とニオブ粉末とゲルマニウム粉末とインジウム粉末とガリウム粉末とを用い、コバルト、スズ、炭素、リン、モリブデン、ニオブ、ゲルマニウム、インジウムおよびガリウムの原料比を表１１に示したように変化させたことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。具体的には、リンの原料比を１．５質量％、Co/(Sn+Co)比を３７質量％でそれぞれ一定とし、モリブデン等の原料比を３質量％、４質量％、５質量％あるいは６質量％のいずれかとした。負極活物質を作製する場合には、コバルト粉末とスズ粉末とリン粉末とを合金化してコバルト・スズ・リン合金粉末を作製したのち、その合金粉末に炭素粉末およびモリブデン粉末等を混合した。実験例１１−１〜１１−１０の負極活物質についても、実験例１−１〜１−７と同様にして組成の分析を行った。この際、モリブデン等の含有量についてはＩＣＰ発光分析で測定した。それらの結果を表１１に示す。また、ＸＰＳを行い、得られたピークを解析したところ、実験例１−１〜１−７と同様に、表面汚染炭素のピークＰ２と負極活物質中におけるＣ１ｓのピークＰ３とが得られ、そのピークＰ３はいずれについても２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部が他の元素と結合していることが確認された。また、二次電池についても、実験例１−１〜１−７と同様にして初回充電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表１２に示す。
【０１４９】
【表１１】
2010050109.tif 000023
【０１５０】
【表１２】
2010050109.tif 000024
【０１５１】
表１１および表１２から分かるように、実験例１１−１〜１１−１０においても、実験例９−２〜９−１２，１０−１〜１０−１１と同様にサイクル特性が向上した。すなわち、負極活物質にモリブデン、ニオブ、ゲルマニウム、インジウムおよびガリウムからなる群のうちの少なくとも１種を含むようにすれば、サイクル特性をより向上させることができることが分かった。
【０１５２】
（実験例１２−１〜１２−４）
原料としてコバルト粉末とスズ粉末と炭素粉末とリン粉末とケイ素粉末とチタン粉末とを用意し、それらの原料比を表１３に示したように変化させたことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。具体的には、炭素の原料比を１８質量％、リンの原料比を１．５質量％、ケイ素の原料比を３質量％、Co/(Sn+Co)比を３７質量％でそれぞれ一定とし、チタンの原料比を０質量％以上７．５質量％以下の範囲内で変化させた。負極活物質を作製する場合には、コバルト粉末とスズ粉末とリン粉末とを合金化してコバルト・スズ・リン合金粉末を作製し、あるいはコバルト粉末とスズ粉末とリン粉末とチタン粉末とを合金化してコバルト・スズ・リン・チタン合金粉末を作製したのち、それらの合金粉末に炭素粉末およびケイ素粉末を混合した。実験例１２−１〜１２−４の負極活物質についても、実験例１−１〜１−７と同様にして組成の分析を行った。この際、ケイ素およびチタンの含有量についてはＩＣＰ発光分析で測定した。その結果を表１３に示す。また、ＸＰＳを行い、得られたピークを解析したところ、実験例１−１〜１−７と同様に、表面汚染炭素のピークＰ２と負極活物質中におけるＣ１ｓのピークＰ３とが得られ、そのピークＰ３はいずれについても２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部が他の元素と結合していることが確認された。また、二次電池についても、実験例１−１〜１−７と同様にして初回充電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表１３に示す。
【０１５３】
【表１３】
2010050109.tif 000025
【０１５４】
表１３から分かるように、ケイ素に加えてチタンを含む実験例１２−２〜１２−４では、それらの双方を含まない実験例９−１，１２−１よりも初回充電容量および容量維持率が向上した。
【０１５５】
すなわち、負極活物質にチタン、モリブデン、ニオブ、ゲルマニウム、インジウムおよびガリウムからなる群のうちの少なくとも１種とケイ素とを含むようにすれば、容量およびサイクル特性をより向上させることができることが分かった。
【０１５６】
（実験例１３−１〜１３−３）
電解液の溶媒に４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン（ＦＥＣ）を加え、その溶媒の組成を質量比でＦＥＣ：ＥＣ：ＰＣ：ＤＭＣ＝２０：１０：１０：６０としたことを除き、他は実験例１−５，８−５，１２−２と同様にして二次電池を作製し、実験例１−１〜１−７と同様にして容量維持率を調べた。その結果を表１４に示す。
【０１５７】
【表１４】
2010050109.tif 000026
【０１５８】
表１４から分かるように、溶媒にＦＥＣを加えた実験例１３−１〜１３−３では、それを加えなかった実験例１−５，８−５，１２−２よりも容量維持率が向上した。すなわち、溶媒にＦＥＣを加えるようにすれば、サイクル特性をより向上させることができることが分かった。
【０１５９】
（実験例１４−１〜１４−１６）
溶媒の組成を表１５に示したように変更させたことを除き、他は実験例１−５，１３−１と同様にして円筒型の二次電池を作製した。実験例１４−１〜１４−１６の二次電池についても、実験例１−１〜１−７と同様にして容量維持率を調べた。それらの結果を表１５に示す。
【０１６０】
【表１５】
2010050109.tif 000027
【０１６１】
表１５から分かるように、容量維持率はＦＥＣの含有量が多くなるにしたがって増加し、極大値を示したのちに低下した。
【０１６２】
すなわち、溶媒にＦＥＣを含むようにすれば、その溶媒の組成に関わらず、サイクル特性を向上させることができると共に、特に１質量％以上８０質量％以下の範囲内で含むようにすれば高い効果を得ることができることが分かった。
【０１６３】
（実験例１５−１〜１５−６）
ＦＥＣに代えて、他のハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体を用いたことを除き、他は実験例１３−１と同様にして円筒型の二次電池を作製した。この際、実験例１５−１では４−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン（ＤＦＥＣ）を用い、実験例１５−２では４−ジフルオロ−５−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン（Ｔｒｉ−ＦＥＣ）を用い、実験例１５−３では４−クロロ−１，３−ジオキソラン−２−オン（Ｃｌ−ＥＣ）を用い、実験例１５−４では４−ブロモ−１，３−ジオキソラン−２−オン（Ｂｒ−ＥＣ）を用い、実験例１５−５では４−ヨード−１，３−ジオキソラン−２−オン（Ｉ−ＥＣ）を用い、実験例１５−６では４−フルオロメチル−１，３−ジオキソラン−２−オン（Ｆ−ＰＣ）を用いた。
【０１６４】
実験例１５−１〜１５−６の二次電池についても、実験例１−１〜１−７と同様にして容量維持率を調べた。それらの結果を表１６に示す。
【０１６５】
【表１６】
2010050109.tif 000028
【０１６６】
表１６から分かるように、他のハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体を用いた場合においても、実験例１３−１と同様にサイクル特性が向上した。但し、ＦＥＣを用いた実験例１３−１において、特に容量維持率が高くなった。すなわち、溶媒にハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体を含むようにすればサイクル特性を向上させることができると共に、中でもＦＥＣを含むようすれば特に効果的であることが分かった。
【０１６７】
（２）ゲル状の電解質を用いた場合
（実験例１６−１〜１６−７）
液状の電解質（電解液）に代えて、ゲル状の電解質からなる電解質層を試験極６１および対極６３の表面に形成したことを除き、他は実験例１−１〜１−７と同様にしてコイン型の二次電池を作製した。すなわち、試験極６１には、表１７に示したように、コバルト、スズ、炭素およびリンの原料比を実験例１−１〜１−７と同様にした負極活物質を用いた。電解質層の作製手順は、以下の通りである。まず、溶媒としてＥＣおよびＰＣと電解質塩としてＬｉＰＦ6 とをＥＣ：ＰＣ：ＬｉＰＦ6 ＝１１．５：１１．５：４の質量比で混合した電解液に、高分子化合物としてフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体（分子量＝６０００００）と、混合溶剤として炭酸ジエチル（ＤＥＣ）とを電解液：高分子化合物：混合溶剤＝２７：１０：６０の質量比で混合して前駆溶液を作製した。そして、試験極６１と対極６３とが対向するそれぞれの面に前駆溶液を均一に塗布したのち、常温で６時間放置してＤＥＣを揮発させることにより、ゲル状の電解質層を形成した。
【０１６８】
得られたコイン型の二次電池について、実験例１−１〜１−７と同様にして初回充電容量を調べた。その結果を表１７および図１７に示す。
【０１６９】
【表１７】
2010050109.tif 000029
【０１７０】
また、以下の手順によって図３および図４に示したラミネートフィルム型の二次電池を作製した。まず、実験例１−１〜１−７と同様にして正極３３および負極３４を作製したのち、それぞれに正極リード３１および負極リード３２を取り付けた。続いて、上記した前駆溶液を正極３３および負極３４に均一に塗布したのち、常温で６時間放置してＤＥＣを揮発させることにより、ゲル状の電解質層３６を形成した。続いて、電解質層３６が形成された面が対向するように正極３３と負極３４とをセパレータ３５を介して積層してから巻回させることにより、巻回電極体３０を形成した。最後に、巻回電極体３０を防湿性アルミラミネートフィルムからなる外装部材４０に真空封入することにより、二次電池が完成した。
【０１７１】
これらの二次電池について、実験例１−１〜１−７と同様にして容量維持率を調べた。それらの結果を表１７および図１７に示す。
【０１７２】
なお、実験例１６−１〜１６−７に対する比較例１６−１〜１６−７として、コバルト、スズ、炭素およびリンの原料比を表１７に示したようにした負極活物質を用い、すなわち比較例１−１〜１−７と同様の負極活物質を用いたことを除き、他は実験例１６−１〜１６−７と同様にして二次電池を作製した。
【０１７３】
得られた比較例１６−１〜１６−７の二次電池についても、初回充電容量および容量維持率を調べた。それらの結果を表１７および図１７に示す。
【０１７４】
表１７および図１７から分かるように、実験例１−１〜１−７と同様の結果が得られた。すなわち、ゲル状の電解質を用いた場合においても、炭素の含有量を９．９質量％以上２９．７質量％以下の範囲内とすれば容量およびサイクル特性を向上させることができると共に、１４．９質量％以上２９．７質量％以下の範囲内、更には１６．８質量％以上２４．８質量％以下の範囲内とすればより好ましいことが分かった。
【０１７５】
（実験例１７−１〜１７−１１，１８−１〜１８−１１，１９−１〜１９−１１）
実験例１７−１〜１７−１１として、表１８に示したように、炭素の原料比を１０質量％、リンの原料比を１．５質量％でそれぞれ一定とし、Co/(Sn+Co)比を２４質量％以上７０質量％以下の範囲内で変化させ、すなわち原料比を実験例２−１〜２−１１と同様にしたことを除き、他は実験例１６−１〜１６−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。なお、実験例１７−１〜１７−１１に対する比較例１７−１〜１７−３として、表１８に示したように、Co/(Sn+Co)比をそれぞれ７５質量％、２０質量％および１６質量％とし、すなわち原料比を比較例２−１〜２−３と同様にしたことを除き、他は実験例１７−１〜１７−１１と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。
【０１７６】
【表１８】
2010050109.tif 000030
【０１７７】
実験例１８−１〜１８−１１として、表１９に示したように、炭素の原料比を２０質量％、リンの原料比を１．５質量％でそれぞれ一定とし、Co/(Sn+Co)比を２４質量％以上７０質量％以下の範囲内で変化させ、すなわち原料比を実験例３−１〜３−１１と同様にしたことを除き、他は実験例１６−１〜１６−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。なお、実験例１８−１〜１８−１１に対する比較例１８−１〜１８−３として、表１９に示したように、Co/(Sn+Co)比をそれぞれ７５質量％、２０質量％および１６質量％とし、すなわち原料比を比較例３−１〜３−３と同様にしたことを除き、他は実験例１８−１〜１８−１１と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。
【０１７８】
【表１９】
2010050109.tif 000031
【０１７９】
実験例１９−１〜１９−１１として、表２０に示したように、炭素の原料比を３０質量％、リンの原料比を１．５質量％でそれぞれ一定とし、Co/(Sn+Co)比を２４質量％以上７０質量％以下の範囲内で変化させ、すなわち原料比を実験例４−１〜４−１１と同様にしたことを除き、他は実験例１６−１〜１６−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。なお、実験例１９−１〜１９−１１に対する比較例１９−１〜１９−３として、表２０に示したように、Co/(Sn+Co)比をそれぞれ７５質量％、２０質量％および１６質量％とし、すなわち原料比を比較例４−１〜４−３と同様にしたことを除き、他は実験例１９−１〜１９−１１と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。
【０１８０】
【表２０】
2010050109.tif 000032
【０１８１】
実験例１７−１〜１７−１１，１８−１〜１８−１１，１９−１〜１９−１１および比較例１７−１〜１７−３，１８−１〜１８−３，１９−１〜１９−３の二次電池についても、実験例１６−１〜１６−７と同様にして初回充電容量および容量維持率を調べた。それらの結果を表１８〜表２０および図１８〜図２０に示す。
【０１８２】
表１８〜表２０および図１８〜図２０から分かるように、実験例２−１〜２−１１，３−１〜３−１１，４−１〜４−１１と同様の結果が得られた。すなわち、Co/(Sn+Co)比を２４質量％以上７０質量％以下とすればゲル状の電解質を用いた場合においても容量およびサイクル特性を向上させることができると共に、Co/(Sn+Co)比を６０質量％以下とすればより好ましいことが分かった。
【０１８３】
（実験例２０−１〜２０−５）
表２１に示したように、炭素の原料比を２０質量％、Co/(Sn+Co)比を３７質量％でそれぞれ一定とし、リンの原料比を０．１質量％以上２．２質量％以下の範囲内で変化させ、すなわち原料比を実験例５−１〜５−５と同様にしたことを除き、他は実験例１６−１〜１６−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。また、実験例２０−１〜２０−５に対する比較例２０−１〜２０−３として、表２１に示したように、リンの原料比をそれぞれ０質量％、３質量％および５質量％とし、すなわち原料比を比較例５−１〜５−３と同様にしたことを除き、他は実験例２０−１〜２０−５と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。
【０１８４】
【表２１】
2010050109.tif 000033
【０１８５】
実験例２０−１〜２０−５および比較例２０−１〜２０−３の二次電池についても、実験例５−１〜５−５と同様にして初回充電容量、初回充放電効率および容量維持率を調べた。それらの結果を表２１、図２１および図２２に示す。
【０１８６】
表２１、図２１および図２２から分かるように、実験例５−１〜５−５と同様の結果が得られた。すなわち、リンの含有量を０．１質量％以上２．２質量％以下の範囲内とすれば容量およびサイクル特性と共に初回充放電効率も向上させることができると共に、０．５質量％以上２質量％以下の範囲内とすればより好ましいことが分かった。
【０１８７】
（実験例２１−１〜２１−１１）
表２２に示したように、炭素の原料比を２０質量％、リンの原料比を１．５質量％でそれぞれ一定とし、ケイ素の原料比を０．３質量％以上１０質量％以下の範囲内で変化させ、すなわち原料比を実験例８−１〜８−１１と同様にしたことを除き、他は実験例１６−１〜１６−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。
【０１８８】
実験例２１−１〜２１−１１の二次電池についても、実験例１６−１〜１６−７と同様にして初回充電容量および容量維持率を調べた。それらの結果を表２３に示す。
【０１８９】
【表２２】
2010050109.tif 000034
【０１９０】
【表２３】
2010050109.tif 000035
【０１９１】
表２２および表２３から分かるように、実験例８−１〜８−１１と同様の結果が得られた。すなわち、負極活物質にケイ素を含有するようにすればゲル状の電解質を用いた場合においても容量を向上させることができると共に、その含有量は０．５質量％以上７．９質量％以下の範囲内が好ましいことが分かった。
【０１９２】
（実験例２２−１〜２２−１２）
表２４に示したように、炭素の原料比を２０質量％、リンの原料比を１．５質量％でそれぞれ一定とし、チタンの原料比を０質量％以上１６質量％以下の範囲内で変化させ、すなわち原料比を実験例９−１〜９−１２と同様にしたことを除き、他は実験例１６−１〜１６−７と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。
【０１９３】
【表２４】
2010050109.tif 000036
【０１９４】
実験例２２−１〜２２−１２の二次電池についても、実験例１６−１〜１６−７と同様にして初回充電容量および容量維持率を調べた。それらの結果を表２４および図２３に示す。
【０１９５】
表２４および図２３から分かるように、実験例９−１〜９−１２と同様の結果が得られた。すなわち、ゲル状の電解質を用いた場合においても負極活物質にチタンを１４．９質量％以下の範囲内で含むようにすればサイクル特性をより向上させることができると共に、１．５質量％以上とすればより好ましく、特に２．８質量％以上１２．９質量％以下の範囲内とすれば更に好ましいことが分かった。
【０１９６】
（実験例２３−１〜２３−３）
電解液の溶媒にＦＥＣを加えたことを除き、他は実験例１６−５と同様にして負極活物質および二次電池を作製した。この際、混合溶媒の組成を質量比でそれぞれＦＥＣ：ＥＣ：ＰＣ＝１：１０．５：１１．５、５：６．５：１１．５および１０：１．５：１１．５とした。
【０１９７】
実験例２３−１〜２３−３の二次電池についても、実験例１６〜１６−７と同様にして容量維持率を調べた。それらの結果を表２５に示す。
【０１９８】
【表２５】
2010050109.tif 000037
【０１９９】
表２５から分かるように、溶媒にＦＥＣを加えた実験例２３−１〜２３−３では、それを加えなかった実験例１６−５よりも容量維持率が向上した。すなわち、溶媒にハロゲン原子を有する環状の炭酸エステルを含むようにすれば、ゲル状の電解質を用いた場合においてもサイクル特性をより向上させることができることが分かった。
【０２００】
表１〜表２５、図８および図１０〜図２３に示した結果から明らかなように、電池構造（円筒型あるいはラミネートフィルム型）や電解質の種類（液状あるいはゲル状）に関係なく、負極活物質が構成元素としてスズ、コバルト、炭素およびリンを含み、炭素の含有量が９．９質量％以上２９．７質量％以下、リンの含有量が０．１質量％以上２．２質量％以下、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合が２４質量％以上７０質量％以下であれば、容量、サイクル特性および初回充放電効率が向上することが確認された。
【０２０１】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記した実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記した実施の形態および実施例では、二次電池の種類として、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づく容量成分により表されるリチウムイオン二次電池について説明したが、必ずしもそれに限られるものではない。本発明の二次電池は、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電容量を正極の充電容量よりも小さくすることにより、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づく容量成分とリチウムの析出および溶解に基づく容量成分とを含み、かつ、それらの容量成分の和により表される二次電池についても同様に適用可能である。
【０２０２】
また、上記した実施の形態および実施例では、電池構造が円筒型、ラミネートフィルム型、シート型あるいはコイン型である場合や、素子構造が巻回構造である電池を具体的に挙げて説明したが、本発明の二次電池は、ボタン型あるいは角型などの外装部材を用いた他の電池構造を有する二次電池や、正極および負極を複数積層した積層構造などの他の素子構造を有する電池についても同様に適用することができる。
【０２０３】
また、上記した実施の形態および実施例では、電極反応物質としてリチウムを用いる場合について説明したが、負極活物質と反応可能であれば、ナトリウム（Ｎａ）あるいはカリウム（Ｋ）などの長周期型周期表における他の１族の元素や、マグネシウムあるいはカルシウム（Ｃａ）などの長周期型周期表における２族の元素や、アルミニウムなどの他の軽金属、またはリチウムあるいはそれらの合金を用いる場合についても、本発明を適用することができ、同様の効果を得ることができる。
【０２０４】
また、上記した実施の形態および実施例では、本発明の負極活物質および二次電池における炭素の含有量について、実施例の結果から導き出された適正範囲を説明しているが、その説明は、含有量が上記した範囲外となる可能性を完全に否定するものではない。すなわち、上記した適正範囲は、あくまで本発明の効果を得る上で特に好ましい範囲であり、本発明の効果が得られるのであれば、含有量が上記した範囲から多少外れてもよい。このことは、上記した炭素の含有量に限らず、リンの含有量、鉄の含有量、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合、ケイ素の含有量、インジウム等の含有量などの他の数値範囲についても同様である。
【符号の説明】
【０２０５】
１１…電池缶、１２，１３…絶縁板、１４…電池蓋、１５…安全弁機構、１５Ａ…ディスク板、１６…熱感抵抗素子、１７，６６…ガスケット、２０，３０…巻回電極体、２１，３３，５２…正極、２１Ａ，３３Ａ，５２Ａ…正極集電体、２１Ｂ，３３Ｂ，５２Ｂ…正極活物質層、２２，３４，５４…負極、２２Ａ，３４Ａ，５４Ａ…負極集電体、２２Ｂ，３４Ｂ，５４Ｂ…負極活物質層、２３，３５，６５…セパレータ、２４…センターピン、２５，３１，５１…正極リード、２６，３２，５３…負極リード、３６，５５…電解質層、３７…保護テープ、４０，５６…外装部材、４１…密着フィルム、５０…電極体、６１…試験極、６２…正極缶、６３…対極、６４…負極缶。
【図１】
2010050109.tif 000038
【図２】
2010050109.tif 000039
【図３】
2010050109.tif 000040
【図４】
2010050109.tif 000041
【図５】
2010050109.tif 000042
【図６】
2010050109.tif 000043
【図７】
2010050109.tif 000044
【図８】
2010050109.tif 000045
【図９】
2010050109.tif 000046
【図１０】
2010050109.tif 000047
【図１１】
2010050109.tif 000048
【図１２】
2010050109.tif 000049
【図１３】
2010050109.tif 000050
【図１４】
2010050109.tif 000051
【図１５】
2010050109.tif 000052
【図１６】
2010050109.tif 000053
【図１７】
2010050109.tif 000054
【図１８】
2010050109.tif 000055
【図１９】
2010050109.tif 000056
【図２０】
2010050109.tif 000057
【図２１】
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【図２２】
2010050109.tif 000059
【図２３】
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